机巷金属锚架支护技术及数值模拟分析_王伟.pdf

机巷金属锚架支护技术及数值模拟分析王伟（西山煤电东曲煤矿运输科运输四队，山西太原030200）摘要：以某巷采区机巷为背景，对该软岩巷道应用金属支架与锚杆相配合支护的效果进行分析论证，并进行数值模拟分析，可以发现两者组合支护的强度远大于单独作用效果之和，为松软岩层巷道支护及同类情况下巷道支护设计提供了借鉴。关键词：软岩巷道；组合支护；数值模拟中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0275-030引言经过大量现场测试发现，锚杆本身的锚固强度并不能很好地在围岩支护中体现出来，大多数巷道的破坏变形并不是锚杆的强度问题。在棚架支护过程中仅强调棚架自身强度，而不考虑与锚杆进行结合使用来增强其锚固效果。基于此，通过对模块破碎煤层巷道的实际情况进行研究分析，利用金属锚架联合支护的方式对该破碎巷道进行支护设计。经现场对比测试及数值模拟可以看出，应用金属锚架联合支护下的支护技术效果较好，达到了比锚杆单独支护或棚架单独承载下更高的锚固能力。1金属锚架组合支护作用机理1）单独锚杆支护。煤矿常用锚杆单独支护技术最大的问题就在于锚杆支护强度较低，其锚固能力很难得到充分发挥，一般锚杆的锚固力只能达到 80 kN 左右，远达不到其极限承载能力。分析出现这类情况的原因大多是因为在松软岩层下围岩对锚杆的挤压作用，使得用于锚固锚杆与围岩之间的托板与围岩的接触面积大幅降低，从而减小了锚杆的承载力。由于其当锚杆在松动圈范围之内时，要求其具有一定的锚固密度确保锚杆组成承载拱，此时会由于锚杆集中作用下产生的环向应力，增大对围岩的破坏效果。围岩很容易在锚杆作用下出现相对转动移动效果，造成破碎岩块之间较低的咬合力，锚杆无法生根于岩体，造成整体承载拱的承载能力大幅下降。而锚杆支护的优点就在于其能够在岩体强度较高的情况下，即使锚固端位于松动圈中，也能保证锚杆具有良好的锚固效果。2）单纯 U 型棚架支护。而对于单独采用 U 型棚架支护来说，最大的缺点在于其锚固范围只能产生表面上的支护效果，降低破碎围岩向巷道内部移动变形的速率，加强岩块之间的作用力，难以提供侧向的承载力。在长期回采扰动等影响下，巷道底鼓现象严重，棚架也会随之进行收缩，加剧巷道的变形破坏1。3）锚杆与 U 型棚架组合支护。金属锚架组合支护技术在力学方面的作用机理在于对两者支护优势相结合，可以保证在破碎围岩表面以及围岩松动圈之间提供承载能力，加强支护效果。锚杆通过对松动圈中的岩体进行锚固，将破碎围岩锚固成一个整体，同时又通过短梁锚固在 U 型棚架上，给金属棚架提供了一个侧向的作用力，确保了 U 型棚架不仅对围岩表面进行支护承载，而且提供了一个侧向作用力来增强其抗侧压能力。通过两者的相互配合支护，达到同时增强承载力的效果，锚杆也借助 U 型棚架较大的接触面积，使得原有托盘接触围岩的范围转化为棚架与围岩进行直接接触，锚固范围大幅增加，使得两者组合支护的效果远大于单独支护之和，金属锚架具体组合支护结构如图 1 所示。2工程实际及治理方案2.1工程概况分析该矿机巷总长 1 530 m，可采煤层 3 层，分别距离巷道 55 m、42 m、20 m，综采工作面推进方向与巷道走向相平行。在各综采工作面采动影响下，使得巷道围岩松动圈扩散至 2.8 m 左右，同时随着煤层开采过程中，造成竖直方向上的应力重新分布，使得巷道位置处出现应力集中，加上底板积水对巷道围岩的蠕变影响，巷道很难在一般支护方案下得到平衡2。收稿日期：2022-04-08作者简介：王伟（1985），男，山西浑源人，本科，毕业于黑龙江科技大学采矿工程专业，采煤工程师，研究方向为采煤。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.1121围岩；2锚杆；3箱梁；4托板；5U 型钢；6钢筋网图 1金属锚架组合支护示意简图123456技术应用机械管理开发第 38 卷2.2治理方案设计通过对该矿机巷破损最为严重的一段 50m 长进行试验支护，选用金属锚架组合支护方式，通过“U 型棚架+注浆+锚杆”支护技术对该巷道进行支护修复。1）支护参数。对于锚杆选型选用直径 20 mm、长度 2 400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距设计为 800 mm、排距设计为 1 000 mm，托板尺寸为 150mm150 mm10 mm 的钢制托盘；在巷道表面喷射100 mm 厚的混凝土；金属棚架材料选用 29U 钢，棚架间距为 600 mm，槽钢长度 800 mm，注浆压力控制在 2MPa，注浆水灰配比为 0.7。2）锚杆强度测试。为了对锚杆支护效果进行测试，其中对采用传统锚杆支护及金属锚架联合支护下的两断面测试对比，结果如表 1 所示。测试段 1 为联合支护下的锚固强度，测试段 2 为传统锚杆支护强度。通过该数据结果对比可以看出，传统锚杆支护下很难发挥其应有的锚固承载效果，而采用金属锚架组合支护下锚固强度为传统锚固方式的将近 6 倍，效果较好。同时可以看出，测试段 1 中的锚固强度呈现逐渐升高的趋势，帮部 136kN 升至底部172kN，而传统锚杆支护的强度则呈现下降趋势，最终值要小于初始值3。3）监测效果。为了对支护强度进行进一步分析，通过对断面的持续变形情况进行监测，分析两帮移进量以及顶底板移进量来对巷道围岩的收缩量进行分析。从监测结果来看，虽然测试段 1 所用锚杆要远小于传统锚固方式，但锚固效果却明显增强。在经历 4个月的监测后，测试段 1 的围岩变形情况逐渐趋于稳定，而测试段 2 却仍保持较高的变形速度，很难稳定下来。出现这种现象的原因就是因为测试段 1 中金属棚架起到的增强锚杆承载能力的效果以及对围岩表面的支撑效果。通过联合支护的方案设计，达到了比单独锚杆支护或金属棚架支护更高的锚固效果，发挥了各自的最优锚固性能。3数值模拟分析3.1模型建立为了更直观地分析金属锚架的锚固性能，进行了简单的数值模拟分析，由于 U 型棚架的对称性，为了便于计算，取金属锚架的一半进行建模，所用数值软件为 ABAQUS，选用材料均为弹性材料。通过扫掠方式进行网格剖分，共 480 044 个节点以及 372 008 个单元，图 2 为金属锚架的力学简化模型。为保证与实际锚固过程中的受力情况近似，对该模型添加补偿结构，通过面-面接触的方式增加托板、棚架间距等补偿参数。3.2模型分析计算对设计完成的金属锚架模型进行分析，如图 3 所示，分别对金属锚架在不添加任何补偿结构下的应力分布情况以及添加补偿结构下的应力分布情况进行对比，可以更为直观地看出 U 型棚架的锚固效果。由图 3 可以看出应力值在显著降低。在未添加补偿结构时，只有金属棚架作用下的承载应力值为 150 MPa，数值较大，而在进行优化之后的应力值降低至 84MPa，即通过增加托板、棚架间距参数等使得 U 型棚架的锚固效果得到增强。同时通过增添锚杆的方式来进行锚架的锚固强度对比模拟，下页图 4 为施加锚杆下全段锚固及非全段锚固对比云图。由图 4 可以看出在增加锚杆作用后，U 型棚架的应力得到显著降低，同时在全段锚固作用下应力值大幅下降，最高值仅为 21 MPa，大幅增加了金属锚架的支护效果，整体结构的稳定性得到显著增强。全段锚杆锚固下的锚固强度更高，但经济效果较差，因此可根据巷道的破碎程度等进行锚杆长度的灵活选型。测试段锚固力/kN底部锚杆帮部第 1 排锚杆测试段 1172136测试段 23027表 1不同支护方式下的锚杆锚固力对比结果图 2金属锚架力学简化模型图 3U 型棚架锚固力对比NAMAAraBhq1q2O88RB=q1a15013011094765841235.1应力/MPa应力/MPa84736353433323132.73-1未添加补偿3-2添加补偿2762023 年第 6 期4结语采用 U 型金属锚架联合支护后，围岩的支护效果得到显著增强，锚杆及金属棚架的承载能力都得到大幅提升。通过联合支护效果，使得锚杆原有托板与围岩之间较小的接触面积变为整体 U 型棚架对围岩的支撑力，锚杆锚固强度得到显著提升；金属棚架由于锚杆的作用力，增加了原本没有的侧向应力，侧向承载力得到显著提升，防止了棚腿收缩对巷道的变形破坏。经数值模拟分析可以看出，联合支护下的金属锚架应力值较低，通过金属锚架联合支护，巷道的稳定性大幅提高，锚固效果也更好。参考文献1王君烨，李大鹏，张伟光.杨庄煤矿机巷超前支架选型设计J.煤炭技术，2021（10）：209-211.2经来旺，姜清，刘宁，等.极松散煤层巷道 U 型钢支架的数值模拟与分析J.煤矿开采，2012（6）：54-57.3李敬佩，经来旺，杨仁树，等.高地压软岩巷道锚架组合支护机理与技术J.煤矿开采，2013（4）：80-83.（编辑：王慧芳）图 4施加锚杆作用下的应力对比Metal Anchor Support Technology and Numerical Simulation Analysis for Machine LaneWang Wei（Dongqu Coal Mine Transportation Department,Xishan Coal and Electricity Company,Taiyuan Shanxi030200）Abstract:Taking a mining area machine roadway as the background,this paper analyzes and demonstrates the effectiveness of using metalbrackets and anchor rods to support the soft rock roadway,and conducts numerical simulation analysis.It can be found that the strength ofthe combined support of the two is much greater than the sum of the individual effects.This provides a reference for the design of roadwaysupport in soft rock layers and similar situations.Key words:soft rock roadway;combined support;numerical simulation84736353433323132.7应力/MPa21191613118.25.63.00.38应力/MPa4-1非全段锚固4-2全段锚固Application Analysis of Different Types of Air Compressor Drying DevicesJiang Aoyin（Department of Energy and Environment,Shougang Jingtang Iron and Steel United Co.,Ltd.,TangshanHebei 063200）Abstract:Compressed air is widely used in industrial production,and users such as instrumentation gas have corresponding requirementson its quality.In order to ensure that the quality of compressed air is qualified,the air compressor needs to be matched with a dryingdevice of corresponding processing capacity for water and dust removal.Through the discussion of the application of different process dryingdevices over the years,the advantages and disadvantages of their use are studied in order to provide reference for those in the sameindustry.Key words:compressed air;drying device;dew point;energy consumption（上接第 274 页）吸声隔声两方面对主扇风机设备进行噪声治理。通过对降噪后主扇风机噪声量进行测试发现，噪声超标问题得到有效解决，主扇风机设备运行平稳，降噪措施应用效果较好。参考文献1杨光，张苏，邵振.煤矿通风机噪声综合治理技术研究J.山东煤炭科技，2018（9）：83-84；87.2史利斌.矿井主要通风机噪声治理技术应用J.中国煤炭,2008，（10）：68-69.3贺光田.张沟煤矿主要通风机噪声治理技术J.中州煤炭，2014（6）：74-75；78.4曹雷,李意民,雷蕾.矿用对旋轴流风机气动噪声分析J.风机技术，2011（4）：13-16.（编辑：柴晓峰）Analysis and Research on Noise Control Technology of Mine VentilatorsJin Xiaoxia（Yangquan Coal Industry Group Qiyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 045000）Abstract:Taking the noise control of the main fan in a coal mine as an example,different noise sources such as aerodynamic noise,motornoise,and mechanical noise were treated with different control schemes and comprehensive noise reduction techniques.Noise source testingshowed that the control effect was good and met the national noise emission standards.Key words:main fan;noise control;technology application（上接第 271 页）王伟：机巷金属锚架支护技术及数值模拟分析277